高分辨率是自信地進(jìn)行化合物檢測的可靠保證

關(guān)鍵詞
精確質(zhì)量數(shù)；復(fù)雜基質(zhì)；氣相色譜靜電場軌道阱（Orbitrap）質(zhì)譜儀；超高分辨；篩查

前言
分析實驗室始終面對著這樣的挑戰(zhàn)，就是既要保證最高水準(zhǔn)準(zhǔn)確度，也要在數(shù)據(jù)充分可靠的基礎(chǔ)上不斷提高檢測效率。此類實驗室大多采用氣相色譜、液相色譜和三重四極桿質(zhì)譜儀（MS）聯(lián)用來實現(xiàn)目標(biāo)化合物檢測。以上分析技術(shù)可在一定的靈敏度水平和選擇性要求范圍內(nèi)檢測性質(zhì)差異較大的多種化合物，但是，其局限性在于需要確定的目標(biāo)化合物列表并要求對每個化合物進(jìn)行針對性的質(zhì)譜實驗參數(shù)的優(yōu)化。而使用靜電場軌道阱（Orbitrap）技術(shù)分析樣本，得到高分辨全掃描數(shù)據(jù)可輕松解決以下挑戰(zhàn)：

• 針對數(shù)量迅速增長的化合物同時定性和定量分析的需求
• 針對過去采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的回顧性分析
• 針對化學(xué)元素組成及結(jié)構(gòu)未知化合物進(jìn)行定性鑒定分析的需求

迄今為止，靜電場軌道阱技術(shù)通過與液相色譜聯(lián)用的成功，充分證明了它作為一種高效分析手段存在的重要價值。 1 現(xiàn)在，全新發(fā)布的 Thermo Scientific TM Q Exactive TM 氣相色譜四極桿-靜電場軌道阱聯(lián)用質(zhì)譜儀（GC hybrid quadrupole-Obitrap MS system）系統(tǒng)真正實現(xiàn)了 Orbitrap 技術(shù)與氣相色譜聯(lián)用。這臺全新的臺式四極桿-軌道阱質(zhì)譜儀開啟了適合氣相色譜分析的化合物的全新分析時代。以下分析實例將著重展示氣相色譜聯(lián)用高分辨質(zhì)譜的強(qiáng)大分析優(yōu)勢。

質(zhì)量分辨率對于目標(biāo)化合物檢測選擇性的重要性

高分辨精確質(zhì)量數(shù)（HR/AM）檢測對樣品進(jìn)行質(zhì)量數(shù)全掃描分析，對于小分子化合物分析來說，掃描范圍一般設(shè)為 50-1000 Da。 Orbitrap 技術(shù)的高分辨能力可將目標(biāo)化合物與具有相近質(zhì)量數(shù)的其他化合物以及基質(zhì)干擾物進(jìn)行有效區(qū)別。在針對目標(biāo)化合物的檢測中，目標(biāo)離子在較窄的質(zhì)量窗口內(nèi)進(jìn)行提取分析（通常 < 5 ppm）。高分辨質(zhì)譜儀可以在保證高質(zhì)量分辨率的狀態(tài)下，同時提供高質(zhì)量準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)，只有兩者同時具備才能夠在如此窄的質(zhì)量窗口內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)化合物離子的精確提取。當(dāng)分辨率不夠高，兩個化合物離子的質(zhì)譜峰就有可能發(fā)生交疊，而實測質(zhì)譜峰為兩個化合物離子質(zhì)量數(shù)的合并。而這種質(zhì)量數(shù)的交疊可直接導(dǎo)致目標(biāo)化合物的的質(zhì)量數(shù)檢測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。此類問題如圖 1 所示，通過 QuEChERS 法提取的韭菜提取物溶解于丙酮溶液，分辨率在15K、 30K、 60K 以及 120K（m/z 200）質(zhì)量分辨率條件下檢測四次的結(jié)果。

以上質(zhì)譜圖表明農(nóng)藥氯苯胺靈（m/z 127.01833）與基質(zhì)中的一個具有相似質(zhì)荷比的背景離子發(fā)生干擾。在 60K 和 120K 分辨率條件下，氯苯胺靈與干擾離子質(zhì)譜峰基本實現(xiàn)基線分離，從而獲得偏差極小的精確質(zhì)量數(shù)。而在 15K 和 30K 分辨率條件下，由于無法將氯苯胺靈和干擾離子有效分辨，使得實測質(zhì)量數(shù)與理論值偏差較大。在 15K 分辨率下，質(zhì)量偏差達(dá)到18.4 ppm。通常篩查實驗中，設(shè)定質(zhì)量誤差范圍為 < 5 ppm，最高可將范圍提高至 10 ppm，而上述質(zhì)量偏差可造成該農(nóng)藥篩查結(jié)果假陰性（未被檢測到）。這個例子明確展示了篩查實驗對于設(shè)定質(zhì)量分辨率是有最低要求的。最低質(zhì)量分辨率的限定值取決于待測樣本的復(fù)雜程度以及目標(biāo)化合物、干擾物質(zhì)的濃度。

在高分辨率條件下仍可保持良好靈敏度

其他類型的氣相-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用技術(shù)，在提高質(zhì)譜分辨率的情況下均可導(dǎo)致離子傳輸效率的下降。從而對檢測的靈敏度和精確度造成影響。對于復(fù)雜基質(zhì)中的低含量水平目標(biāo)化合物篩查、定量分析來說，在實現(xiàn)高質(zhì)量分辨率的同時，必須保證儀器足夠的靈敏度。在圖 1 中，明確展示了高分辨率的必要性。那么，在質(zhì)量分辨率非常重要的前提下，在 60K 和 120K高分辨率條件下保證靈敏度顯得尤其必要。不同于其他類型質(zhì)譜儀， Q Exactive 氣相色譜聯(lián)用系統(tǒng)可在提高質(zhì)量分辨率的情況下，信號靈敏度不發(fā)生顯著降低。圖 2 展示了 QuEChERS法提取的胡蘿卜提取樣本中三種濃度為 10 ng/g 的農(nóng)藥（氯苯胺靈、氟蟲腈和二甲戊樂靈）在 15K、 60K 和 120K 分辨率模式下分析的峰面積。上述提取物樣本分析在三種分辨率模式下均采用一級全掃描模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其穩(wěn)定的表現(xiàn)使得儀器可以不犧牲靈敏度的情況下，通過提高質(zhì)量分辨率獲取準(zhǔn)確度極高的精確質(zhì)量數(shù)。

應(yīng)用高分辨質(zhì)譜鑒定未知化合物

采用全掃描模式獲取精確質(zhì)量數(shù)是 Orbitrap 技術(shù)的優(yōu)勢之一，該優(yōu)勢允許隨時對過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧分析，從而發(fā)現(xiàn)并鑒定未知峰。在保證精確質(zhì)量數(shù)準(zhǔn)確的條件下，可通過實測得到的精確質(zhì)量數(shù)以及同位素比例推測未知化合物的元素組成。所推測的化學(xué)元素組成可能結(jié)果的數(shù)量取決于計算模塊中選定的化學(xué)元素種類及質(zhì)譜分析數(shù)據(jù)質(zhì)量。在高分辨模式下，保證小于 1 ppm 質(zhì)量偏差的分析數(shù)據(jù)可將目標(biāo)未知化合物可能的化學(xué)元素組成控制在最小數(shù)量內(nèi)。元素組成推測結(jié)果見圖 3，通過元素組成計算模塊計算一個實測為 m/z 304.10058 的離子可能的元素組成結(jié)果數(shù)量，其中各化學(xué)元素的個數(shù)范圍為：碳（C） 1–50，氫（H） 1–50、氧（O） 1–20、氮（N）1–20、磷（P） 1–10、硫（S） 1–10。

質(zhì)量偏差范圍由 0.5 到 10 ppm 范圍內(nèi)變化，分別推測出的可能化學(xué)式數(shù)量見圖 3。正如所料，質(zhì)量偏差范圍越寬，推測可能的化學(xué)式數(shù)量越多。在設(shè)定偏差范圍為 10 ppm 情況下，推測出 60 種可能的元素組成。即使將質(zhì)量偏差范圍縮小到相對低的 3 ppm，仍列出 20 種可能的元素組成。然而在將質(zhì)量偏差縮小至 Q Exactive GC 系統(tǒng)通常容許的小于 1 ppm 范圍時，推測結(jié)果僅剩下兩個偏差小于 0.5 ppm 的化學(xué)元素組成。其中，第一個推測結(jié)果為偏差為 0.3 ppm 的 C12H21N2O3PS，將該結(jié)果提交至 ChemSpider 在線數(shù)據(jù)庫檢索，返回結(jié)果排在第一位為農(nóng)藥二嗪農(nóng)（diazinon）。后續(xù)結(jié)構(gòu)鑒定可通過將電子轟擊（EI）所獲得的碎片離子與標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行匹配分析。

結(jié)論

• 具備無可比擬的常規(guī)高質(zhì)量分辨能力和穩(wěn)定的亞 ppm 級質(zhì)量精確度的Thermo Scientific Q Exactive GC 質(zhì)譜儀是實現(xiàn)化合物檢測、篩查、定量以及未知化合物鑒定、結(jié)構(gòu)解析的獨(dú)一無二的強(qiáng)大工具。
• 將氯苯胺靈與背景干擾離子有效區(qū)別，要求質(zhì)譜分辨率不低于 60,000 FWHM（m/z 200）。這個分辨率要求對
于檢測其他化合物同樣必要。
• Q Exactive GC 質(zhì)譜系統(tǒng)可為復(fù)雜基質(zhì)樣本中目標(biāo)化合物檢測提供高靈敏度分析結(jié)果，更重要的是，在不同質(zhì)譜分辨率（在 m/z 200，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分辨率為 15–120KFWHM）模式下，儀器始終保持高靈敏度。
• 卓越的亞 ppm 級質(zhì)量準(zhǔn)確度可通過縮小質(zhì)量偏差范圍有效加快未知物的鑒定進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

1.Thermo Scientific Application Note 617: Quantitative and Qualitative Confirmation of Pesticides in Beet Extract Using a Hybrid Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer. San Jose, California, USA and Bremen,Germany. [Online] http://www.thermoscientific.com/content/dam/tfs/ATG/CMD/cmd-documents/sci-res/app/ms/lc-ms/Orbitraps/AN-617-LC-MSMS-PesticidesBeets-AN64284-EN.pdf (accessed May 1, 2015).